淺析高中物理模型的建立與應用

摘要：物理是門探究事物本質世界規律的學科，在不同的問題情境背后有著類似的解題思路與解題模式。我們把這種套路化的思考物理問題的思維習慣固化為物理模型，它反映了我們對物理問題的本質認識與抽象認知，對物理問題的解決有著重要作用和指導意義。本文就從物理模型的概念出發，以高中常見的經典物理模型為例，列舉了物理模型的應用，表現了物理模型的重要性。

關鍵詞：物理模型；應用；高中物理；物理思維

引言：

我們常說授人以魚不如授人以漁，物理是研究我們生活的世界的本質規律的學科，物理的表現形式有千千萬萬，但是物理問題背后的規律卻是一致的。在解決物理問題的過程中，可以將不同事物在不同環境下的運動簡化為相似的問題進行解決，這就是我們常說的物理模型，物理模型就是打開物理真理大門的鑰匙，是教會我們思考的“漁”。

一、物理模型的概念

在數學中有研究變量間關系的數學模型，在經濟學中有研究經濟市場變化規律的經濟學模型，物理模型就是研究物理范疇內的問題的模型，如光學模型、力學模型等。模型的建立都是以反映所探究的關系為目的，通過將問題抽象化的思維方法，突出主要本質的因素，忽略次要非本質的因素，將問題還原到本質層面，進行簡化與模擬。

從定義我們刻意看出，模型的建立是做減法的過程。在具體的物理問題中，如何進行簡化與物理模型建立，抓住什么因素作為主要因素，忽略哪些次要因素，這些是實際過程中的難點。比如面對體積微小的物體，小球雨滴等，我們知道忽略體積簡化為質點模型來研究他們的運動。在研究體積龐大的物體，就需要研究問題再考慮將物體看作質點。在研究汽車的運動速率、行駛路程等時，可以把汽車看作質點，如果研究汽車的緩沖就不能把汽車視為質點，要考慮汽車輪子的特性將其視為彈性模型。同時在建立模型以后還需要套用到實際問題中看是否契合實際情況，是否有尚未考慮到的影響因素，又或者還不夠簡單仍然可以簡化。

二、建立物理模型的方法

物理模型不僅代表了一類問題的解決通法，具有一定的代表性，反映了問題的本質，而且蘊含了建立模型時的思路與邏輯方法。實際問題中建立物理模型一般可以分為兩種方法[1]。（1）直接建立：首先明確研究對象，看把研究對象視為什么模型，如質點、連接體等，然后分析問題情境具有怎樣的特征，比如在問題的物理環境中是否需要考慮摩擦力，阻力，運動的環境是斜面還是平面等，最后看運動對象在物理環境中具有怎樣的運動特征，抓住運動時的主要特征，忽略次要因素，然后將其中的運動規律列出方程，即是直接建立的物理模型。（2）類比法：將未知的新生的事物與已知的事物聯系起來，比如用單擺振動的物理模型解決電磁震蕩問題。

三、物理模型的重要性

（1）物理本身其實是個抽象的學科，但是物理的生活應用與物理的問題又常常具體而形象，如果想學好物理，就需要能透過現象看本質，將形象的問題情境抽象化，需要學生概括抽象問題的能力，物理模型的建立過程是極好的鍛煉物理思維的過程[2]。（2）運用物理模型可以簡化對問題的解決，每個物理模型就好像一個新世界，在物理模型下的推論就是新世界的定理，在解決問題時可以省略每次都推理定理的過程，直接運用推論。

四、常見高中物理模型及其應用

（1）質點模型：是物理中最經典的對象模型，將研究對象簡化，只考慮其運動過程，更方便的應用經典力學原理。而在研究氣體的運動中將氣體看做理想氣體，不考慮氣體內部的運動，電荷只考慮其帶電量而不考慮其他物理特征這些都是質點模型的延伸。（2）繩桿模型：抓住了繩與桿最本質的不同，繩只可以承受沿繩方向的拉力，不可以承受其他方向的力，而桿可以承受來自各個方向的力。（3）追趕與對碰模型：在追趕與碰撞的物理問題中，應當抓住動量守恒、動能守恒的本質以不變應萬變，其中碰撞模型又根據是否發生動能損耗分為完全彈性碰撞模型、非完全彈性碰撞模型。如果遇到問題轉化為相應的追趕或碰撞模型，能更方便運用建立物理模型時已知的推論，如彈性碰撞后的兩物體相對速度相等，質量相等的物體發生對撞速度交換等，再次遇到問題時可以直接運用推論，大大提升解決問題的速度。（4）皮帶模型：皮帶模型中的關鍵因素是摩擦力，應考慮到摩擦力對物體運動的影響，考慮到摩擦生熱，能量守恒，動能對熱能的轉化等。（5）斜面模型：斜面是個常見的物理情境，在斜面模型中抓住解決問題的關鍵——物體平衡的臨界點，斜面模型主要體現了物理方法中臨界思想。（6）平拋模型：平拋模型主要蘊含了物理力的合成與分解，運動的合成與分解，如果抓住問題再去尋找與問題關系最密切的力，可以大大簡化問題的難度。（7）爆炸模型：爆炸模型常常應用在子彈木塊的問題情境下，可以把子彈木塊看作追趕或對碰模型，這樣就能方便看出問題的區別，通過追趕與對碰模型，更容易解決物體的運動，而爆炸模型中主要考慮能量守恒，摩擦生熱等，在解決不同的問題時，考慮不同的模型，側重不同的思路，套用不同的公式。（8）LC電磁振蕩模型：研究電流與電量的轉化規律的模型。（9）動態電路模型：涉及到電路動態變化的問題可以歸結為動態電路模型，其解決方法是從阻值變化入手，根據串并聯關系分析，運用歐姆定律判斷電路的總電阻變化、總電流變化，再根據電流電壓的分配原則進行局部電路的分析。（10）電容電路模型：此類模型中的切入點是電容兩極板的電壓以及極板上的電性[3]。（11）非純電阻電路模型：此類模型的關鍵在于與純電阻電路相比多了電能與化學能的轉換，應當抓住能量守恒的本質進行分析。

結語：

針對高中常見的問題進行物理模型的建立對高中物理的學習具有重要作用，通過已經建立的模型能夠使物理問題的解決事半功倍。同時建立物理模型的過程，能夠鍛煉對事物本質的觀察力，抽象化的邏輯思維能力，能從根本上提升解決問題的能力。

參考文獻：

[1]蔣明星.物理模型的建立及在教學中的作用[J].中小學教學研究，2010（10）：32-33.

[2]范利成.例析高中物理模型教學的重要性[J].技術物理教學，2012，20（4）：35-36.

[3]羅許繹.高中物理各類電路題的解析[J].理科考試研究，2013，20（21）：41-42.

作者簡介：竇子涵（2000.05.24—）男，漢族，天津市人，高中學歷，研究方向：物理方向。endprint